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Quali sono i diversi tipi di sensori a infrarossi?

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Introduzione ai diversi tipi di sensori IR, compresi i principi di funzionamento, la composizione dei materiali e le prestazioni in varie applicazioni.

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Con la continua evoluzione della tecnologia a infrarossi, i sensori a infrarossi, componenti fondamentali dei sistemi a infrarossi, sono stati ampiamente applicati nella sorveglianza della sicurezza, nell'ispezione industriale e nella diagnostica medica. Questi sensori sono in grado di convertire la radiazione infrarossa invisibile in segnali elettrici misurabili, fornendo all'uomo un paio di occhi per vedere la temperatura.
Esistono tuttavia diversi tipi di sensori IR, ciascuno con caratteristiche distinte in termini di principi di funzionamento, composizione dei materiali e prestazioni nelle varie applicazioni. Per aiutare i lettori a comprendere meglio il campo del rilevamento a infrarossi, questo articolo spiegherà i tipi di sensori a infrarossi, concentrandosi sui sensori a infrarossi fotonici e sui sensori a infrarossi termici. Esploreremo i loro principi di base, i materiali chiave e i vantaggi applicativi per fornire una guida completa ai tipi di tecnologia di imaging termico.

1.Che cos'è la radiazione infrarossa?
Prima di addentrarci nei diversi tipi di sensori a infrarossi, è essenziale capire che cos'è la radiazione infrarossa. La radiazione infrarossa è un tipo di onda elettromagnetica che si colloca tra la luce visibile e le microonde nello spettro elettromagnetico. Come le onde radio, la luce visibile e i raggi X, appartiene alla categoria più ampia delle onde elettromagnetiche. Poiché la sua lunghezza d'onda si trova appena oltre l'estremità rossa dello spettro della luce visibile, viene chiamata "infrarosso" (IR).
La radiazione infrarossa copre un'ampia gamma di lunghezze d'onda, da circa 0,8 a 1000 micrometri, e serve come vettore vitale di informazioni. Nella tecnologia di rilevamento a infrarossi, lo spettro IR viene comunemente suddiviso in vicino infrarosso (NIR), medio infrarosso (MIR), lontano infrarosso (FIR) ed estremo infrarosso, in base al modo in cui si propaga attraverso l'atmosfera terrestre.
Le radiazioni infrarosse sono ricche di informazioni fisiche che ci aiutano a comprendere meglio il mondo che ci circonda. Tuttavia, poiché l'occhio umano non è in grado di percepire direttamente le radiazioni IR, ci affidiamo a dispositivi specializzati, chiamati sensori o rivelatori IR, per convertire queste radiazioni invisibili in segnali elettrici misurabili. Questo rende possibile l'osservazione e l'applicazione della tecnologia di rilevamento a infrarossi in diversi campi.

2.Classificazione e principi di funzionamento dei sensori a infrarossi
I sensori a infrarossi sono i componenti principali dei sistemi di rilevamento e imaging a infrarossi. Con un'ampia varietà di sensori a infrarossi disponibili, esistono diversi modi per classificarli in base a diversi criteri:
-In base alla risposta alla lunghezza d'onda: sensori per l'infrarosso vicino, l'infrarosso medio, l'infrarosso lontano e l'infrarosso estremo
-In base alla temperatura di funzionamento: sensori a infrarossi raffreddati criogenicamente e non raffreddati
-Per struttura: rivelatori a singolo elemento, rivelatori a matrice lineare e rivelatori a matrice sul piano focale
-Per meccanismo di rilevamento: sensori a infrarossi di tipo fotonico e sensori a infrarossi di tipo termico
In questa sezione ci concentreremo sulla spiegazione dei principi di funzionamento e delle caratteristiche applicative dei sensori a infrarossi fotonici e dei sensori a infrarossi termici, due dei più importanti tipi di sensori IR.

2.1 Sensori a infrarossi a fotoni
I sensori IR di tipo fotonico sono dispositivi che convertono i segnali luminosi in arrivo in segnali elettrici basandosi sull'effetto fotoelettrico dei materiali. Le proprietà elettriche di un materiale sono determinate principalmente dal movimento dei suoi elettroni. Quando i fotoni infrarossi colpiscono la superficie del materiale, eccitano gli elettroni, alterando il comportamento elettrico del materiale. Questo fenomeno è noto come effetto fotoelettrico.

1. Sensori a infrarossi fotoconduttivi
Questi sensori funzionano in base all'effetto fotoconduttivo. Alcuni materiali semiconduttori presentano variazioni significative della conduttività elettrica quando vengono esposti alla radiazione infrarossa. I rivelatori a infrarossi realizzati con questi materiali sono chiamati sensori IR fotoconduttivi.

I materiali più comuni sono:
-Solfuro di piombo (PbS)
-seleniuro di piombo (PbSe)
-Antimoniuro di indio (InSb)
-tellururo di mercurio e cadmio (Hg₁₋ₓCdₓTe)
-Germanio drogato (Ge)

I sensori IR fotoconduttivi hanno una risposta ritardata a causa del fenomeno del rilassamento, per cui la conduttività impiega tempo a stabilizzarsi dopo l'inizio dell'irraggiamento e a riprendersi una volta cessato. Ciò comporta una velocità di risposta inferiore rispetto ad altri metodi di rilevamento IR.

2. Sensori a infrarossi fotovoltaici
I sensori IR fotovoltaici funzionano in base all'effetto fotovoltaico. Quando un materiale presenta un campo elettrico interno, le coppie elettrone-buco generate dall'assorbimento dei fotoni tendono a muoversi in direzioni opposte, creando una differenza di tensione. Questa tensione può essere misurata come segnale elettrico se si collega un circuito esterno.

Materiali comuni utilizzati:
-Arseniuro di indio (InAs)
-tellururo di mercurio e cadmio (Hg₁₋ₓCdₓTe)
-Antimoniuro di indio (InSb)

Rispetto ai tipi fotoconduttivi, i sensori IR fotovoltaici offrono in genere una maggiore velocità di risposta e sono più adatti ad applicazioni di rilevamento ad alta velocità, poiché l'effetto fotovoltaico è un processo con portatori minoritari.

3. Sensori a infrarossi fotoemissivi
I sensori IR fotoemissivi utilizzano l'effetto di fotoemissione. Quando i fotoni con frequenza vvv colpiscono la superficie di un solido, gli elettroni possono assorbire l'energia (hv) e acquisire un'energia cinetica sufficiente a superare la barriera di potenziale superficiale, sfuggendo nel vuoto come fotoelettroni.
Sebbene i sensori di tipo fotonico offrano vantaggi quali la rapidità di risposta, le dimensioni compatte, l'elevata affidabilità e la forte adattabilità, sono sensibili al rumore termico. A temperatura ambiente, gli elettroni eccitati termicamente possono aumentare la corrente di buio e degradare le prestazioni. Pertanto, per funzionare al meglio, questi sensori richiedono spesso un raffreddamento criogenico, che aumenta il costo e la complessità del sistema.
Ciononostante, i sensori a infrarossi fotoemissivi rimangono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di fascia alta grazie alla loro eccezionale sensibilità e velocità di risposta, che li rende ideali per le tecnologie avanzate di imaging termico.

2. 2 Sensori termici a infrarossi
A differenza dei sensori IR di tipo fotonico, che convertono l'energia dei fotoni direttamente in fotoelettroni attraverso l'effetto fotoelettrico, i sensori a infrarossi termici si basano sugli effetti termici della radiazione infrarossa. Rilevano l'energia infrarossa attraverso le variazioni di temperatura e la sua conversione in altre grandezze fisiche. Esistono tre tipi principali di sensori termici a infrarossi: i sensori piroelettrici a infrarossi, i sensori a infrarossi a termopila e i sensori a infrarossi a microbolometro. Tra questi, i microbolometri sono il tipo più promettente e in rapido sviluppo e offrono prestazioni eccellenti nelle moderne tecnologie di imaging termico.

1. Sensori a infrarossi piroelettrici
Alcuni materiali cristallini, come il solfato di triglicina (TGS) e il titanato di bario e stronzio (BST), presentano l'effetto piroelettrico. Quando questi materiali vengono tagliati lungo assi specifici e inseriti tra elettrodi per formare un condensatore, qualsiasi variazione di temperatura nel cristallo provoca la comparsa di una tensione attraverso il condensatore. Ciò è dovuto alla polarizzazione spontanea e allo spostamento della carica superficiale innescato dalle variazioni di temperatura.
I materiali piroelettrici rientrano in tre categorie: piroelettrici a cristallo singolo, ceramici e a film sottile. Tra questi, i materiali ceramici BST sono ampiamente utilizzati grazie al loro processo di fabbricazione maturo e alle loro eccellenti prestazioni.
I sensori IR piroelettrici offrono un'ampia risposta spettrale, un funzionamento stabile a temperatura ambiente, una rapida velocità di risposta, un basso rumore e circuiti di lettura relativamente semplici. Tuttavia, poiché richiedono un chopper meccanico per modulare la radiazione in ingresso, i sistemi di imaging basati su sensori piroelettrici tendono a essere più complessi di quelli che utilizzano termopili o microbolometri.

2. Sensori a infrarossi a termopila
I sensori IR a termopila funzionano in base all'effetto Seebeck, un fenomeno termoelettrico in cui si genera una tensione a causa di una differenza di temperatura tra due giunzioni costituite da conduttori o semiconduttori dissimili. Quando un'estremità della termocoppia viene riscaldata dalla radiazione infrarossa e l'altra rimane fredda, il gradiente termico risultante spinge i portatori di carica, creando una tensione misurabile attraverso le estremità aperte.
Sebbene i sensori IR a termopila siano semplici e affidabili, in genere hanno una sensibilità inferiore e una velocità di risposta più lenta rispetto ad altri rilevatori termici a infrarossi, limitando la loro competitività nelle applicazioni ad alte prestazioni.

3. Sensori a infrarossi microbolometrici
I microbolometri (detti anche rivelatori termici resistivi) rilevano la radiazione infrarossa in base alle variazioni di resistenza in funzione della temperatura dei materiali termosensibili. Questi materiali sono comunemente fabbricati come film sottili. Mentre le pellicole metalliche hanno bassi coefficienti di resistenza termica (TCR) e sono utilizzate soprattutto nei primi prototipi, le pellicole di semiconduttori, come l'ossido di vanadio (VOx) e il silicio amorfo (a-Si), offrono TCR più elevati e sono diventate la norma nella fabbricazione dei microbolometri.
Gli array sul piano focale dell'infrarosso non raffreddato ad alte prestazioni (IR FPA) si basano principalmente su tecnologie piroelettriche e microbolometriche. Rispetto ai sensori piroelettrici, i microbolometri offrono diversi vantaggi:
-Più facile da produrre e integrare in serie
-Costi di produzione più bassi
-Durata di vita più lunga
-Riduzione della sfocatura e dell'effetto fantasma dell'immagine
-Tempo di risposta più rapido
-Gamma dinamica più ampia
-Maggiore sensibilità termica
Di conseguenza, i microbolometri sono diventati la scelta preferita in molte applicazioni di termografia che richiedono un rilevamento preciso ed efficiente degli infrarossi.

3. Sensori a infrarossi fotonici e termici
Se si confrontano i diversi tipi di sensori IR, i sensori a infrarossi fotonici e i sensori a infrarossi termici presentano ciascuno caratteristiche e vantaggi applicativi distinti.

**Sensori a infrarossi fotonici
I rivelatori a fotoni sono altamente sensibili sia alla temperatura di esercizio che alla lunghezza d'onda. Le loro caratteristiche principali includono:
1.Le prestazioni di rilevamento dipendono fortemente dalla temperatura di esercizio: la riduzione della temperatura del sensore ne migliora significativamente la rilevabilità.
2.La velocità di rilevamento aumenta al diminuire della lunghezza d'onda: a parità di temperatura, le lunghezze d'onda più corte determinano una maggiore sensibilità del rivelatore.
Di conseguenza, i sensori a infrarossi di tipo fotonico sono ampiamente utilizzati nei sistemi a infrarossi raffreddati ad alte prestazioni, in particolare nelle gamme dell'infrarosso a onde medie (MWIR) e dell'infrarosso a onde lunghe (LWIR), nonché in alcune applicazioni a infrarossi a onde corte (SWIR) ad alte prestazioni, sia raffreddate che non raffreddate.

**Sensori a infrarossi termici
I sensori IR termici, invece, presentano una rivelazione relativamente piatta su diverse lunghezze d'onda e rispondono lentamente alle variazioni di temperatura. Le loro caratteristiche principali sono
1.La rivelazione è stabile in un'ampia gamma di lunghezze d'onda, il che significa che le prestazioni non fluttuano significativamente con la lunghezza d'onda.
2.Bassa sensibilità alle variazioni di temperatura, il che indica che il raffreddamento ha un impatto minimo sulle prestazioni.
Queste caratteristiche rendono i rivelatori termici particolarmente vantaggiosi nelle applicazioni a infrarossi a onde lunghe non raffreddate, dove la stabilità, la semplicità e l'efficienza dei costi sono prioritarie.

In sintesi, i sensori a infrarossi fotonici eccellono nelle applicazioni di precisione di fascia alta grazie alla loro risposta rapida e all'elevata sensibilità, ma in genere richiedono il raffreddamento e hanno costi più elevati. I sensori a infrarossi termici, invece, sono ideali per applicazioni economiche e su larga scala, grazie alla loro lunga durata, all'assenza di raffreddamento e alla stabilità delle prestazioni, che li rendono adatti ai mercati civili, industriali e consumer.

4.Prodotti consigliati da Raythink
Agli utenti che cercano soluzioni di monitoraggio a infrarossi affidabili, economiche e che non necessitano di manutenzione, consigliamo vivamente la nostra gamma di dispositivi di imaging termico non raffreddati. Questi prodotti utilizzano una tecnologia avanzata di sensori termici a infrarossi e sono ideali per diverse applicazioni industriali, di sicurezza e di sorveglianza.

**Telecamera panoramica all'infrarosso della serie W-U6
-Progettata per la prevenzione degli incendi boschivi e per la sorveglianza perimetrale
-Doppio sistema di imaging termico e a luce visibile
-AI-ISP alimentato da PNU per migliorare le prestazioni in condizioni di scarsa luminosità
-Rilevamento intelligente di persone, veicoli, imbarcazioni, fumo e incendi

*telecamera a torretta a doppio spettro *FC125T
-Combina immagini termiche a infrarossi e luce visibile HD
-Dotata di un avanzato rilevatore termico passivo a infrarossi
-Funzioni di collegamento di allarmi multipli per avvisi in tempo reale
-AI-ISP alimentato da PNU per migliorare le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione
-Rilevamento intelligente di persone, veicoli, imbarcazioni, fumo e fuoco
-Algoritmi di rilevamento del fumo e del fuoco incorporati
-Funzionalità di analisi del comportamento a doppio spettro

*telecamera Speed Dome a doppio spettro *PD464T
-Risoluzione termica 640×512 con obiettivo motorizzato da 50 mm
-Telecamera a luce visibile con zoom ottico 37× integrato
-Design PTZ ad alta velocità per un monitoraggio rapido e a lungo raggio
-Algoritmi intelligenti integrati per la classificazione e il riconoscimento degli oggetti

** Telecamera PTZ multispettro serie PC5
-Progettata per la prevenzione degli incendi boschivi e la sorveglianza perimetrale
-Doppio sistema di imaging termico e a luce visibile (obiettivo termico fino a 150 mm)
-Telemetro laser e illuminazione laser opzionali
-Riconoscimento intelligente di persone, veicoli, imbarcazioni, fumo e punti di incendio

5.Conclusioni
Raythink è profondamente impegnata nel progresso delle tecnologie di visione notturna a infrarossi, misurazione della temperatura a infrarossi, imaging dei gas e rilevamento laser. Grazie all'impegno per l'innovazione, forniamo ai clienti globali componenti professionali per il rilevamento a infrarossi e laser, sistemi completi, piattaforme software e soluzioni industriali intelligenti.
La nostra gamma completa di prodotti trova ampia applicazione in diversi settori, tra cui l'industria intelligente, la robotica intelligente, l'imaging per il rilevamento dei gas, la sicurezza antincendio, l'energia rinnovabile, la neutralità del carbonio, la protezione dell'ambiente e la salute medica.
Vi invitiamo a entrare in contatto con Raythink per esplorare le infinite possibilità della tecnologia di rilevamento a infrarossi e delle soluzioni di imaging termico. Diamo insieme forma a un futuro più intelligente, più sicuro e più sostenibile.